Электрические взаимодействия. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона. Почему незаряженные тела притягиваются к заряженным

Электростатическая сила - это сила, которая действует между зарядами. Электростатические силы взаимодействия точечных зарядов описываются законом Кулона.
Закон утверждает, что заряды одного знака отталкиваются друг от друга, в то время как заряды противоположных знаков притягиваются (рис. 1 ).

Атом вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.

Сила взаимодействия двух зарядов зависит от того, как далеко они находятся друг от друга. Чем ближе заряды друг к другу, тем больше будет сила (притяжения или отталкивания).

Закон Кулона

В 1784 году великий французский физик и инженер Шарль Огюстен Кулон изобрел и построил крутильные весы, которые предназначались для измерения сверхмалых сил, а уже в следующем году сформулировал свой знаменитый закон, который сейчас известен любому школьнику:

Сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
расстояние между зарядами.

Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:

УРОК 1/1

Тема. Электрические взаимодействия

Цель урока: ознакомить учащихся с электрическими взаимодействиями; разъяснить им физический смысл закона сохранения заряда и закона Кулона.

Тип урока: урок изучения нового материала.

ПЛАН УРОКА

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первые шаги к разгадке природы электричества были сделаны во время изучения электрических разрядов, которые возникают между разноименно заряженными телами. Такие разряды напоминают крошечную молнию.

Для того чтобы понять появление всех этих искр, ознакомимся с одним из электрических явлений. Возьмем пластмассовый гребешок или авторучку и проведем ею несколько раз по сухим волосам или шерстяному свитеру. Как не странно, но после такого простого действия пластмасса приобретет нового свойства: начнет притягивать мелкие кусочки бумаги, другие легкие предметы и даже тонкие струйки воды.

Из выполненных опытов и наблюдений можно сделать вывод:

Ø явления, в которых тела приобретают свойства притягивать другие тела, называют электризацией.

В XVII веке немецкий ученый Отто фон Герике обнаружил, что электрическая взаимодействие может быть не только притягуванням, но и отталкиванием. В начале XVIII века французский ученый Шарль Дюфе объяснил притяжение и отталкивание наэлектризованных тел существованием двух типов электрических зарядов:

Ø если тела имеют электрические заряды того же типа, они отталкиваются, а если разных типов, то притягиваются.

Тела, имеющие способность к электрических взаимодействий, называют наелектризованими. Если наэлектризованное тело, говорят, что оно имеет электрический заряд.

Ø Электрический заряд - это физическая величина, характеризующая интенсивность электромагнитных взаимодействий тел или частиц.

Заряды разных типов назвали положительными и отрицательными. Электрический заряд наэлектризованной стеклянной палочки, потертой о шелк, назвали положительным, а заряд ебонітової палочки, потертой о мех, - отрицательным.

Тела, не имеющие электрического заряда, называют незаряженными, или электрически нейтральными. Но иногда и такие тела обладают способностью к электрическим взаимодействиям.

Во время электризации тело потеряло часть своих электронов, заряжается положительно, а тело приобрело лишних электронов - отрицательно. Общее же количество электронов в этих телах остается неизменной.

При электризации тел выполняется очень важный закон - закон сохранения заряда:

Ø в электрически изолированной системе тел алгебраическая сумма зарядов всех тел остается неизменной.

Этот закон не утверждает, что суммарные заряды всех положительно заряженных и всех отрицательно заряженных частиц должны каждый отдельно храниться. Во время ионизации атома в системе образуются две частицы: положительно заряженный ион и отрицательно заряженный электрон. Суммарные положительный и отрицательный заряды при этом увеличиваются, же полный электрический заряд остается неизменным. Нетрудно увидеть, что всегда сохраняется разница между общим числом всех положительных и отрицательных зарядов.

Закон сохранения электрического заряда выполняется и тогда, когда заряженные частицы испытывают превращения. Так, во время столкновения двух нейтральных (не имеют электрического заряда) частиц могут рождаться заряженные частицы, однако алгебраическая сумма зарядов порожденных частиц при этом равна нулю: вместе с положительно заряженными частицами рождаются и отрицательно заряженные.

Французский ученый Шарль Кулон исследовал, как зависит сила взаимодействия между заряженными телами от значений зарядов тел и от расстояния между ними. В своих опытах Кулон не учитывал размеры тел, которые взаимодействуют.

Заряд, помещенный на теле, размеры которого малы по сравнению с расстояниями до других тел, с которыми оно взаимодействует, называют точечным зарядом.

Закон Кулона, открытый 1785 p ., количественно описывает взаимодействие заряженных тел. Он является фундаментальным законом, то есть установленный с помощью эксперимента и не вытекает ни из какого другого закона природы.

Ø Неподвижные точечные заряды q 1 и q 2 взаимодействуют в вакууме с силой F , прямо пропорциональной модулям зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния r между зарядами:

Значение коэффициента пропорциональности k зависит от выбора системы единиц.

Единица электрического заряда в СИ названа в честь Кулона - это 1 кулон (Кл).

Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона численно равна k = 9·10 9 Н·м2/Кл2. Физический смысл этого коэффициента заключается вот в чем: два точечных заряда по 1 Кл каждый, находятся на расстоянии 1 м друг от друга, взаимодействуют с силой, равной 9·109 Н.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Как можно определить, заряженные тела?

2. В каких случаях заряженные тела притягиваются, а в каких - отталкиваются?

3. При каких условиях выполняется закон сохранения электрического заряда?

4. От чего зависит электрическая сила взаимодействия заряженных тел?

5. В чем сходство и различие закона всемирного тяготения и закона Кулона?

Второй уровень

1. Почему притяжение кусочков бумаги натертым расческой нельзя объяснить действием сил тяжести, упругости и веса?

2. Зависит ли сила электрического взаимодействия от расстояния между заряженными телами? Подтвердите ваш ответ примером.

3. С помощью какого опыта можно проиллюстрировать закон сохранения электрического заряда?

4. Как изменится сила кулоновского взаимодействия двух точечных зарядов при увеличении каждого заряда в 3 раза, если расстояние между ними уменьшить в 2 раза?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1. Почему электрическое отталкивание обнаружили почти через две тысячи лет после того, как было обнаружено притяжения?

Два тела испытывают электрического притяжения, если заряжен только одно из тел, причем зарядом любого знака. А электрическое отталкивание проявляет себя только тогда, когда оба тела заряжены, причем обязательно одноименно.

2. Когда с первой капельки миллиард электронов переместили на вторую, между ними возникла сила электрического взаимодействия. Сколько электронов необходимо переместить с первой капельки на вторую, чтобы эта сила увеличилась в 4 раза?

3. На каком расстоянии находятся друг от друга точечные заряды 4 и 6 нКл, если сила их взаимодействия равна 6 мН?

4. Сколько электронов надо «перенести» с одной пылинки на другую, чтобы сила кулоновского притяжения между порошинами на расстоянии 1 см равна 10 мкН? (Ответ: 2,1·109)

5. Заряды двух одинаковых маленьких металлических шариков равны q 1 = -2 нКл и q 2 = 10 нКл. После соприкосновения шариков их развели на предыдущую расстояние. Во сколько раз изменился модуль силы взаимодействия между ними?

Пусть расстояние между шариками равна r . Тогда модуль силы взаимодействия между ними изменился от к Здесь q - заряд каждого из шариков после соприкосновения. Согласно закону сохранения заряда 2q = q 1 + q 2 . Следовательно,

Ответ: уменьшился в 1,25 раза.

6. На шелковой нитке висят два заряженных шарика массой 20 мг каждая (см. рисунок). Модули зарядов шариков 1,2 нКл. Расстояние между шариками 1 см. Чему равна сила натяжения нити в точках А и В? Рассмотрите случаи одноименных и разноименных зарядов. (Ответ: сила натяжения нити в точке А равна 0,39 мН; В точке В для одноименных зарядов 0,33 мН, а для разноименных - 66 мкН.)

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Явления, в которых тела приобретают свойства притягивать другие тела, называют электризацией.

Электрический заряд - это физическая величина, характеризующая интенсивность электромагнитных взаимодействий тел или частиц.

В электрически изолированной системе тел алгебраическая сумма зарядов всех тел остается неизменной:

· Заряд, помещенный на теле, размеры которого малы по сравнению с расстояниями до других тел, с которыми оно взаимодействует, называют точечным зарядом.

· Неподвижные точечные заряды q 1 и q 2 взаимодействуют в вакууме с силой F , прямо пропорциональной модулям зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния r между зарядами:

Домашнее задание

Рів1 № 1.8; 1.9; 1.10; 1.11.

Рів2 № 1.31; 1.32; 1.34, 1.35.

Рів3 № 1.54, 1.55; 1.56; 1.57.

МАОУ «Экспериментальный лицей « Научно-образовательный комплекс»

Учебное пособие по физике

(5-6 класс)

Электромагнитные и световые явления.

Составитель:

учитель физики

Введение.

Дорогие ребята, мы приступаем к изучению одной из самых важных и интересных наук – физике. С момента появления сознания, человек всегда пытался понять: как устроен мир, в котором он живет, почему идет дождь, сверкает молния, восходит и заходит Солнце, лето сменяется зимой, любое тело непременно падает на Землю. Поиски ответов на многочисленные вопросы и стали основой науки о природе – физики. Но человек не просто нашел ответы на вопросы, он открыл законы природы и заставил их работать на себя. Благодаря развитию физики появились новые механизмы, устройства, значительно упрощающие жизнь человека, а открытие электрических явлений позволило перейти человечеству на новую ступень развития цивилизации. Итак, начинается наше знакомство с удивительным миром науки.

Тема 1. Электрические явления.

Электрическое взаимодействие. Электризация тел трением.

Возьмём пластмассовую линейку или авторучку и проведём ею несколько раз по сухим волосам или листочку бумаги. Как ни удивительно, но после такого простого действия пластмасса приобретёт новое свойство: начнёт притягивать мелкие кусочки бумаги, другие лёгкие предметы и даже тонкие струйки воды (см. рисунок).

Такие явления были известны ещё до нашей эры. Для опытов по электризации трением брали янтарь и натирали его шерстью. После этого и янтарь, и шерсть начинали притягивать к себе сухие травинки и пылинки. Янтарь по-гречески «электрон». Отсюда и произошли слова электричество и наэлектризованные тела.

Наэлектризованные тела могут не только притягиваться, они могут и отталкиваться. Проведём опыты. Натрём палочку из эбонита шерстяной варежкой, а палочку из стекла – шёлковым платком. Подвесив палочки на нитях, увидим, что эбонит и шерсть, а также стекло и шёлк притягивают друг друга (см. рисунок).

Теперь поменяем пары тел. Мы видим, что эбонит и шёлк, а также стекло и шерсть отталкивают друг друга (см. рисунок).

Увидеть взаимодействие заряженных тел можно с помощью простого прибора – электрического султана. На металлическом стержне укреплены легкие полоски бумаги. Коснувшись стержня заряженным телом, мы передаем заряд и стержню и лепесткам султанчика, которые начинают отталкиваться друг от друга. Наблюдение двух видов взаимодействия натолкнуло ученых на мысль о существовании двух видов электрических зарядов. Сейчас два рода зарядов мы называем:

Символом «q» обозначена физическая величина «электрический заряд» . Единицей для измерения заряда служит 1 Кулон (коротко: 1 Кл). Проведя несложные эксперименты, легко заметить, что сила взаимодействия заряженных тел бывает различной: больше или меньше. Это объясняют тем, что заряд, который приобретают тела в процессе электризации, может быть больше или меньше.

Для обнаружения наэлектризованных тел и сравнения их зарядов служит прибор электроскоп. Его внешний вид вы видите на рисунке.

Металлический корпус (1) спереди закрыт стеклом (2). Внутрь прибора вставлен металлический стержень (3) с легкой подвижной стрелкой (4). От корпуса стержень отделён круглой пластмассовой втулкой (5). Если верхней части стержня коснуться наэлектризованным телом, то стрелка оттолкнется от стержня тем сильнее, чем больше заряд тела.

Лабораторная работа №1

Наблюдение электризации различных тел и их взаимодействия.

Цель: Наблюдать электризацию различных тел.

Приборы и материалы: Пластмассовая линейка, бумага, кусочки ткани, резина.

Ход работы: используя предоставленные материалы, пронаблюдайте за явлением электризации, напишите вывод.

Атомы состоят из ещё меньших частиц трёх видов. В центре атома имеется ядро, образованное протонами и нейтронами . Вокруг ядра быстро движутся электроны, образуя так называемые электронные облака. Количество протонов в ядре равно количеству электронов, движущихся вокруг него. Количество нейтронов может быть разным.

Масса протона приблизительно равна массе нейтрона. По сравнению с их массами масса электрона пренебрежимо мала. Электроны относятся к так называемым отрицательно заряженным частицам, протоны – к положительно заряженным частицам. Нейтроны – к незаряженным или электронейтральным частицам.

Частицы ядра прочно связаны друг с другом особыми ядерными силами. Притяжение электронов к ядру гораздо слабее взаимного притяжения протонов и нейтронов, поэтому электроны (в отличие от частиц ядра – протонов и нейтронов) могут отделяться от своих атомов и переходить к другим (см. рисунок).

В результате переходов электронов образуются ионы – атомы или группы атомов, в которых число электронов не равно числу протонов. Если ион содержит отрицательно заряженных частиц больше, чем положительно заряженных, то такой ион называют отрицательным. В противоположном случае ион называют положительным. В верхней части рисунка показана потеря атомом электрона, то есть образование положительного иона. В нижней части рисунка – образование из атома отрицательного иона. Ионы очень часто встречаются в веществах, например, они есть во всех без исключения металлах. Причина заключается в том, что один или несколько электронов от каждого атома металла отделяются и движутся внутри металла, образуя так называемый электронный газ. Именно из-за потери электронов, то есть отрицательных частиц, атомы металла становятся положительными ионами. Это справедливо для металлов в любом состоянии – твёрдом, жидком или газообразном (например, для паров ртути).

При трении тел друг о друга «трутся» именно электронные облака атомов, из которых эти тела состоят. А так как электроны слабо связаны с ядрами своих атомов, то электроны могут отделяться от «своих» атомов и переходить на другое тело. В результате на нём возникает избыток электронов (и тело приобретает отрицательный заряд), а на первом теле – недостаток электронов (и оно становится положительно заряженным).

Итак, электризация трением объясняется переходом части электронов от одного тела к другому, в результате чего тела заряжаются разноимённо. Поэтому тела, наэлектризованные трением друг о друга, всегда притягиваются.

Кроме электризации трением, которую мы только что объяснили, существует также и электризация индукцией (от лат. «индукцио» – наведение, возникновение). Рассмотрим её на опыте, – см. рисунок.

Имеются два незаряженных металлических шара, которые касаются друг друга (а). Затем к одному из них подносят, не касаясь его, наэлектризованную палочку (б), после чего второй шар отодвигают (в). Теперь палочку можно убрать, – шары будут разноимённо заряженными.

Объясним опыт. Сначала металлические шары не были заряжены. Это значит, что электронный газ присутствовал в шарах в равных количествах (а). Поскольку палочка стеклянная, считаем её заряд положительным. Она притягивает отрицательно заряженные частицы шаров – электроны. Поэтому электронный газ «перетекает» в левую часть левого шара, и в этом месте образуется скопление отрицательного заряда (б).

Положительные ионы металла прочно связаны друг с другом (они и есть металл), поэтому никуда не «перетекут». Значит, во всех остальных частях шаров возникнет недостаток электронов, то есть положительный заряд. Если в этот момент, не убирая палочки, раздвинуть шары (в) и лишь затем убрать её, шары останутся разноимённо заряженными (г).

Итак, электризация индукцией объясняется перераспределением электронного газа между телами (или частями тела), в результате чего тела (или части тела) заряжаются разноимённо.

По способности проводить электрический заряд все вещества делятся на два вида. Диэлектрики – вещества, не имеющие свободных заряженных частиц и потому не проводящие заряд от одного тела к другому. Проводники – тела и вещества со свободными заряженными частицами, которые могут перемещаться, перенося заряд в другие части тела и к другим телам.

Различные тела можно наэлектризовать по-разному: передать им положительный или отрицательный заряд, сделать его большим или малым. После этого тела будут по-разному действовать на другие тела: отталкивать или притягивать их, делать это сильнее или слабее. Но как одно тело «узнаёт» заряд другого (например, чтобы «знать»: притягивать его или отталкивать)? Для ответа на этот вопрос рассмотрим понятие «электрическое поле».

Наэлектризуем одноимённо металлический шар на пластмассовой подставке и лёгкий пробковый или пенопластовый шарик на нити (назовём его пробным шариком). Будем переносить его в различные точки пространства вокруг большого шара (см. рисунок). Мы заметим, что в каждой точке пространства вокруг наэлектризованного тела обнаруживается сила, действующая на пробный шарик.

О том, что существует сила, мы судим по отклонению нити шарика от вертикали. По мере удаления от заряженного шара пробный шарик отклоняется всё слабее, следовательно, действующая на него сила становится всё меньше (сравните положения а, б, в).

Для следующего опыта используем магнит и стальной шарик, который положим на горизонтальную поверхность стола. Приблизим магнит к шарику сверху, и он незамедлительно покатится по столу вслед за магнитом. Следовательно, в каждой точке пространства вокруг намагниченного тела есть сила, действующая на стальной шарик.

Итак, в каждой точке пространства вокруг наэлектризованных или намагниченных тел существует так называемое силовое поле, способное воздействовать на другие тела. Заметим, что действие силы тяжести также обнаруживается во всех точках пространства вокруг Земли. Поэтому по аналогии говорят, что в пространстве вокруг планет также существует силовое поле; его называют гравитационным полем.

Электрический ток.

Открытие электрически заряженных частиц и их взаимодействия изменило мир, в котором мы с вами живем после того, как были обнаружены удивительные явления, возникающие при упорядоченном движении заряженных частиц, так был открыт электрический ток.

Электрический ток – это направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц: электронов и/или ионов.

Рассмотрим, как возникает электрический ток в металлическом проводнике, соединяющем заряженный и нейтральный электроскопы. При возникновении кратковременного тока, часть заряда переходит с одного электроскопа на другой. То есть, в проволоке короткое время существовал электрический ток, образованный движущимися электронами.

Познакомимся теперь с устройствами, предназначенными для создания долговременного электрического тока, – источниками электроэнергии (иногда говорят – источниками тока, но это менее желательный термин).

Известно много видов источников электроэнергии. Простейшие из них –гальванические элементы (1, 2, 3). Они превращают свою внутреннюю (химическую) энергию в энергию электрического тока. Аналогичное превращение энергии происходит и в аккумуляторах (4). Но после того, как энергия аккумулятора иссякнет, его можно вновь зарядить, и он опять будет служить источником электроэнергии. Образно выражаясь, обычные гальванические элементы – это «одноразовые», а аккумуляторы – «многоразовые» источники энергии.

Кроме одиночных аккумуляторов и гальванических элементов часто встречаются их батареи – несколько элементов, соединённых вместе. Цифрой 2 обозначена батарея гальванических элементов – «плоская батарейка», а цифрой 4 – батарея аккумуляторов для автомобиля. Цифрой 5 обозначен выпрямитель или блок питания , служащий источником электроэнергии для электронных приборов – ноутбуков, телефонов. Он берёт энергию от домашней электросети.

Любой источник электроэнергии, обязательно имеет не менее двух полюсов – металлических проводников, предназначенных для присоединения потребителей электроэнергии. Они называются положительный и отрицательный, обозначенные знаками «+» и «–».

Назначение источника электроэнергии – создание и долговременное поддержание неодинаковой электризации своих полюсов. Рассмотрим это на конкретном примере (см. рисунок).

Присоединим к «батарейке» лампочку от карманного фонарика. Избыточные электроны, всегда имеющиеся на отрицательном полюсе, в момент соединения контактов двинутся к положительному полюсу батарейки. Это приведёт к частичной нейтрализации зарядов на полюсах. Поэтому если внутри батарейки электроны под воздействием каких-либо сторонних сил не будут вновь попадать на отрицательный полюс, ток быстро прекратится, и лампочка погаснет. Но этого не происходит, значит, ток есть и внутри батарейки.

Обратите внимание: снаружи источника электроны движутся от «–» к «+», как и должны двигаться отрицательные частицы, находящиеся в электрическом поле. Однако внутри источника электроны движутся от «+» к «–». Такое движение вопреки силам электрического поля возможно лишь под воздействием так называемых сторонних сил , которые не имеют отношения к силам электрического поля; они возникают и совершают работу за счёт внутренней (химической) энергии батарейки.

Исторически так сложилось, что току приписывают направление от «+» источника к его «–» через потребители. Физики об этом договорились несколько веков назад, когда не знали о существовании электронов. Тогда же появилось и не вполне удачное название «источник тока», так как теперь мы знаем, что у электрического тока нет «истоков» и «стоков»: ток циркулирует по проводникам, подобно воде в замкнутой трубе с насосом Как вы думаете, как можно узнать – есть ли в проводнике ток? Заглянуть внутрь проводника невозможно, но, оказывается, это и не нужно. Прохождение тока по проводнику всегда сопровождается хотя бы одним из особых явлений – действий тока. Всего известно три действия тока: магнитное, химическое и тепловое.

Слева вы видите опыт, иллюстрирующий магнитное действие тока . К источнику электроэнергии (на рисунке он не показан) при помощи двух проводов подключим катушку с проволокой и стальным стержнем внутри. При включении тока катушка становится магнитом и начинает притягивать стальные предметы (например, гвозди).

Магнитное действие тока наблюдается вокруг любых проводников: толстых или тонких, прямых или свитых в спираль, горячих или холодных, твёрдых, жидких или газообразных.

Слева изображён опыт, иллюстрирующий химическое действие тока . В стакан с раствором сульфата меди CuSO4 опустим два угольных стержня. Через несколько минут на стержне, подключённом к «–», образуется тонкий слой ярко-красного цвета. Это чистая медь, выделившаяся из раствора. Поскольку произошло явление, при котором одно вещество (сульфат меди) превратилось в другое (чистую медь), значит, мы видели химическую реакцию.

Химическое действие тока, как правило, наблюдается в жидких проводниках и сравнительно реже – в газообразных. В твёрдых проводниках химические реакции протекать не могут, так как в них отсутствуют подвижные ионы (то есть «носители» химических свойств вещества).

Тепловое действие тока встречается, например, в утюгах, электрокаминах и лампах. Утюг горяч настолько, что нельзя притронуться рукой; спирали электрокамина нагреты ещё сильнее: до «красного каления», а спираль лампочки – даже до «белого каления». Жидкие и газообразные проводники также нагреваются при прохождении через них тока.

9. Сделайте вывод.

Закон преломления света. Чтобы рассмотреть этот закон, введём определения. Угол между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред в точке излома луча назовём углом падения (a). Аналогично, угол между преломлённым лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред в точке излома луча назовём углом преломления (g).

Используем качественную трактовку закона преломления света: при переходе света в оптически более плотную среду луч отклоняется к перпендикуляру к границе раздела сред. И наоборот. Количественно закон мы с вами изучим в старших классах.

Принцип обратимости световых лучей. При отражении или преломлении света падающий и отражённый лучи всегда можно поменять местами. Это означает, что ход лучей не изменится, если изменить их направления на противоположные. Многочисленные опыты подтверждают: при этом «траектория» хода лучей не меняется (см. чертёж).

Для пояснений обратимся к чертежам. Слева показано, что лучи, идущие параллельно главной оптической оси собирающей линзы, после неё «сходятся», проходя через точку F – действительный главный фокус собирающей линзы. Справа показано прохождение лучей света через рассеивающую линзу параллельно её главной оптической оси. Лучи после линзы «расходятся» и кажутся исходящими из точки F", называемой мнимым главным фокусом рассеивающей линзы. Он не действительный, а мнимый потому, что через него лучи света не проходят: там пересекаются лишь их воображаемые (мнимые) продолжения.

В школьной физике изучаются только так называемые тонкие линзы, которые вне зависимости от их симметричности «в разрезе» всегда имеют два главных фокуса, расположенные на равных расстояниях от линзы.

Линзой можно не только собирать или рассеивать лучи. При помощи линз можно получать увеличенные и уменьшенные изображения предметов. Например, благодаря собирающей линзе на экране получается увеличенное и перевёрнутое изображение золотой статуэтки (см. рисунок).

Опыты показывают: отчётливое изображение возникает, если предмет, линза и экран расположены на определённых расстояниях друг от друга. В зависимости от них изображения могут быть перевёрнутыми или прямыми, увеличенными или уменьшенными, действительными или мнимыми.

Ситуация, когда расстояние d от предмета до линзы больше её фокусного расстояния F, но меньше двойного фокусного расстояния 2F, описана во второй строке таблицы. Именно это мы и наблюдаем со статуэткой: её изображение действительное, перевёрнутое и увеличенное. Если изображение действительное, его можно спроецировать на экран. При этом изображение будет видно из любого места комнаты, из которого виден экран. Если изображение мнимое, то его нельзя спроецировать на экран, а можно лишь увидеть глазом, располагая его определённым образом по отношению к линзе (нужно смотреть «в неё»).

Лабораторная работа № 7

Изучение изображений, даваемых собирающей линзой.

Цель: Изучить изображения, даваемые собирающей линзой.

Приборы и материалы: собирающая линза, электрическая лампа, источник тока, соединительные провода, экран, линейка.

Ход работы.

1. Получая, изображение удаленного источника, определите фокусное расстояние линзы.

2. Изменяя расстояние между лампой и линзой, определите тип изображения при различных положениях лампы.

3. Результаты наблюдений занесите в таблицу.

4.сделайте вывод.

Опыты показывают, что рассеивающие линзы дают уменьшенное прямое мнимое изображение при любом расстоянии от предмета до линзы.

Лучи, испущенные предметом и прошедшие через лупу, расходятся (см. чертёж). От кончика пламени мы провели «красные» лучи. Один – параллельно главной оптической оси линзы, второй – через её центр. Первый луч после преломления в линзе пройдёт через её фокус, а второй луч не изменит направление распространения. От основания свечи отходят два «синих» луча. Они проходят так же, как и красные – параллельно главной оптической оси линзы и через её оптический центр. И «красные», и «синие» лучи являются расходящимися. Поэтому лупа не может создавать изображений на экране; их нужно наблюдать только оптическим прибором: глазом, фотоаппаратом и т. п.

Проектор. В отличие от лупы, этот прибор предназначен для получения действительных изображений, которые можно спроецировать на экран и сделать видимыми многим зрителям одновременно (см. чертёж). Свет лампы 1 при помощи вогнутого зеркала 2 направляется на слайд 3. Он расположен между фокусом и двойным фокусом собирающей линзы 4. Поэтому на экране 5 получается увеличенное действительное изображение.

Обратите внимание: красные лучи от верхней части слайда попадают в нижнюю часть экрана. И наоборот, синие лучи от нижней части слайда попадают в верхнюю часть экрана. Поэтому изображение на слайдах должно располагаться «вверх ногами».

Глаз. Орган зрения человека является сложным оптическим прибором. Основные части глаза: 1 – склера (плотная наружная оболочка), 2 – роговица (передняя более выпуклая прозрачная часть склеры), 3 – радужная оболочка, 4 – хрусталик, 5 – мышца, 6 – сетчатка (светочувствительная внутренняя задняя поверхность склеры), 7 – зрительный нерв.

Свет от рассматриваемого предмета, попадая в глаз, проходит через хрусталик. Он является собирающей линзой, поэтому на сетчатке образуется действительное изображение предмета. Светлые и тёмные части, из которых оно образовано, по-разному воздействуют на нервные окончания, расположенные на сетчатке. Эти воздействия по зрительному нерву попадают в головной мозг, который «переворачивает» изображение и распознаёт его.

Одним из особенных свойств хрусталика является его упругость. Если окружающие его мышцы напрягаются, то хрусталик растягивается и становится менее выпуклым. При этом его преломляющая способность уменьшается, и мы можем чётко видеть более удалённые предметы.

Очки. Они предназначены для исправления таких дефектов зрения, как дальнозоркость и близорукость . Близорукий глаз хорошо видит только близкие предметы. Их чёткие изображения получаются на сетчатке глаза (чертёж «а»). Если же предмет далеко, то его чёткое изображение получается перед сетчаткой (чертёж «б»).

Для исправления близорукости поместим перед глазом рассеивающую линзу (чертёж «в»). Она сделает пучок лучей от предмета более расходящимся. В результате он станет похожим на тот пучок, который попадал в глаз в случае «а». Следовательно, изображения окажутся на сетчатке, и близорукий человек отчетливо увидит далёкие предметы. Для дальнозорких людей нужны очки с собирающими линзами.

Дисперсия света. Образование цвета.

Опыт можно повторять, используя лучи других цветов, однако вывод будет прежним: показатель преломления вещества зависит от цвета света. Это влияние называют дисперсией света. В физике также встречается трактовка дисперсии как явления «разложения» света (рис. «в»).

Направив на призму белый свет, мы увидим два новых явления: во-первых, тонкий пучок превратится в расширяющийся и, во-вторых, белый свет превратится в многоцветный. Поместив на его пути белый экран, мы увидим радужную полоску – сплошной спектр (см. рисунок).

Откуда же появились разноцветные лучи? Рассмотрим рисунок «в» внимательнее. Красно-оранжевая часть спектра расположена там, куда шёл красный луч в опыте «а». При этом сине-фиолетовая часть спектра расположена там, куда шёл фиолетовый луч в опыте «б». Следовательно, белый свет разделяется призмой на цветные лучи. Таким образом, белый свет – сложный свет, образованный из света всех цветов спектра.

Цвета тел. На средней фотографии ракетки и теннисный шарик освещены белым светом. Посмотрим на них сквозь зелёное стекло: белый шарик стал зелёным, малиновая ракетка чёрной, а зелёная сохранила свой цвет (фото слева). Если же мы используем красное стекло, то белый шарик станет красным, зелёная ракетка чёрной, а малиновая красной (фото справа).

Правая ракетка видится нам зелёной, так как из всего спектра падающего на неё белого света она отражает лишь жёлто-зелёно-голубые лучи, дающие в смеси зелёный цвет. Лучи остальных цветов ракетка не отражает, а поглощает. Аналогично, если левая ракетка видится нам красной, значит, из всего спектра падающего на неё белого света она отражает только жёлто-красно-оранжевые лучи. Лучи других цветов ракетка поглощает.

Теперь объясним, почему ракетки поочерёдно выглядят чёрными: малиновая при рассматривании через зелёное стекло и зелёная – при рассматривании через красное. Оно потому и красное, что поглощает лучи всех цветов, пропуская лишь красно-оранжевые. А поскольку от зелёной ракетки таких лучей не исходит, она выглядит чёрной – от этой ракетки в наши глаза свет не поступает вообще, что наш мозг считает чёрным цветом. Аналогично, зелёное стекло поглощает лучи всех цветов, кроме сине-зелёно-жёлтых. Поэтому, наблюдая красную ракетку сквозь него, мы не видим испускаемого ею света – она выглядит чёрной.

Примером дисперсии света является образование радуги. Разложение белого цвета происходит при прохождении через капельки дождя.

Оборудование:демонстрационное –стеклянная, эбонитовая палочки; шерстяной и шёлковый лоскутки, мелкие кусочки бумаги, фольги, пенопласта; воздушные шары, штатив, гильзы из фольги; фронтальное–полиэтиленовая плёнка, пластмассовая линейка, деревянная палочка, резиновая полоска, штатив, нить, гильзы из фольги.

Раздаточный материал: бланки опорных конспектов (ОК, см. с. ??); задания «Проверь себя», схемы-заготовки «Использование, вред и нейтрализация статического электричества».

Оформление класса:портреты Фалеса, М.В.Ломоносова, Б.Франклина, Ш.Дюфе; плакаты «Использование статического электричества», «Вред статического электричества», «Нейтрализация статического электричества».

Ход урока

Учитель. Наблюдая за взаимодействиями между телами, мы замечаем, что они могут происходить как при непосредственном соприкосновении, так и на расстоянии. Пожалуй, самым известным действием тел друг на друга на расстоянии является их гравитационное притяжение. В повседневной жизни падение на Землю какого-нибудь предмета редко вызывает удивление. Неизбежность подобного события делает его обыденным. Другой вид действия на расстоянии, который мы сегодня с вами рассмотрим, может проявляться и как притяжение, и как отталкивание между телами. Тема нашего урока «Этот вездесущий электрический заряд». Наши задачи: выяснить, что такое электрический заряд; ответить, что значит наэлектризовать тело; выяснить виды электрических зарядов; определить экспериментально, при каких условиях происходит электризация тел и каков характер взаимодействия зарядов; обсудить роль электризации в природе.

У каждого на столе лежит бланк – лист с заготовкой будущего опорного конспекта. По ходу изучения темы будем заполнять конспект, который поможет вам подготовиться к следующему уроку. (Рассказ о Фалесе. )

Электрические явления каждый раз вызывают интерес и у детей, и у взрослых. Возможно, дело в том, что, с одной стороны, примеры электрических взаимодействий весьма разнообразны и не так хорошо знакомы нам с детского возраста, как притяжение Земли. С другой стороны, здесь у нас большие возможности создавать различные экспериментальные условия, обходясь несложным оборудованием.

Учебный эксперимент 1 (УЭ1)

Демонстрация: взаимодействие стеклянной палочки и шёлкового лоскутка; органического стекла и бумаги; эбонита (каучука с большой примесью серы) и меха (сукна); притяжение тонких струек воды к стеклянной палочке.

Учитель. Что наблюдаем? Как называется наблюдаемое явление? Что значит наэлектризовать тело? Сколько тел участвовали в электризации в каждом опыте? Каким образом мы наэлектризовали тела?

Учащиеся. Притяжение мелких кусочков бумаги к палочкам... Электризация... Сообщить ему электрический заряд... Два... Соприкосновением, трением, увеличиваем площадь соприкосновения тел...

Учебный эксперимент 1 (продолжение УЭ1)

Фронтальный эксперимент: исследование электризации различных тел (приборы и материалы, а также порядок выполнения работы см. в ОК на с. 14).

Учитель. Выполните эксперимент, результаты наблюдений запишите в таблицу ОК. Сделайте выводы по УЭ1 и запишите их в ОК. (Ответы учащихся даны светлым шрифтом. – Ред. )

Заряд возникает везде: при игре в баскетбол, волейбол, сидении на стуле, игре на музыкальных инструментах, когда вы причёсываетесь, листаете книгу, пишите ручкой, при движении автомобиля, при движении пара вверх и т.п. Но почему-то мы не обращаем на него внимания и считаем электризацию редким явлением. Почему же?

(Учащиеся обсуждают и делают вывод: заряд маленький .)

Учебный эксперимент 2 (УЭ2)

Демонстрация: взаимодействие одноимённых и разноимённых зарядов; отталкивание подвешенной на непроводящей нити гильзы из тонкой фольги от пластмассовой (эбонитовой) палочки, натёртой о шерсть, после прикасания к ней (в итоге оба тела заряжаются отрицательно); притягивание такой же гильзы после предварительного прикасания к ней стеклянной палочки, натёртой о шёлк (гильза заряжается положительно), а также пластмассовой (эбонитовой) палочки, натёртой о шерсть (вариант: опыт с воздушными шарами).

Учитель. Что наблюдаем? Чем вызвано различие во взаимодействии наэлектризованных тел?

Учащиеся. Отталкивание в первом случае, притяжение во втором... Разными по знаку зарядами...

Учитель. Электрический заряд, полученный на стеклянной палочке, потёртой о шёлк, отличается от заряда на эбонитовой палочке, потёртой о мех. Заряд стеклянной палочки, потёртой о шёлк, условились называть положительным (+), заряд эбонитовой палочки, потёртой о мех, – отрицательным (–).

Наэлектризованные тела притягиваются, если они заряжены разноимённо, и отталкиваются, если они заряжены одноимённо. (Рассказывает о Ш.Дюфе и Б.Франклине. )

Самым убедительным оппонентом теории существования двух видов зарядов был знаменитый американец Бенджамuн Франклuн (1706–1790). Он первым ввёл понятие о положительных и отрицательных зарядах. Однако объяснял он наличие этих зарядов у тел соответственно избытком или недостатком в телах некоей общей электрической материи. Эта особая материя, впоследствии названная флюидом Франклина , по его мнению, обладала положительным зарядом. Таким образом, получалось, что при электризации тела либо приобретают, либо теряют только положительные заряды. По современным представлениям, в большинстве случаев контактной электризации тела обмениваются элементарными отрицательными зарядами – электронами.

Пожалуй, самым оригинальным образом доказывал существование двух видов зарядов англичанин Роберт Симмер (1707–1763). Он обратил внимание на необычное поведение своих шерстяных и шёлковых чулок. Снятые вечером чёрные шерстяные и белые шёлковые чулки эффектно раздувались, принимая форму ноги, если только лежали порознь. При размещении одного чулка внутри другого они принимали обычный вид. Поднесённые друг к другу, все четыре чулка причудливо переплетались, подобно змеям. Основываясь на своих наблюдениях, Симмер стал рьяным сторонником теории двух видов зарядов, за что был прозван современниками «раздутым философом». Но он оказался прав. Выражаясь современным языком, его шёлковые чулки имели отрицательные, а шерстяные – положительные заряды. Этим и объяснялось их поведение.

Учебный эксперимент 2 (продолжение УЭ2)

Фронтальный эксперимент: исследование характера электризации различных тел (приборы и материалы , а также порядок выполнения работы см. в ОК, с. 14).

Учитель. Выполните эксперимент 2, результаты сведите в таблицу ОК, сделайте выводы и запишите их в ОК.

Мы сегодня экспериментально изучили явление накопления электрических зарядов, т.е. статическое электричество. Вот как описывает поэт один из видов статического электричества (читает отрывок из стихотворения Е.Б.Кульман *). (* См. № 1/06, с. 18. Елизавета Борисовна Кульман (1808–1825) с детских лет отличалась поразительной одарённостью, переводчица, владевшая 14 языками и умершая в 17 лет от простуды, полученной во время очередного петербургского наводнения. Поэзия Кульман вдохновила одного из крупнейших композиторов мира Р.Шумана : в 1851 г. он сочинил на стихи Кульман два вокальных цикла. Благодаря этим шумановским опусам петербургская поэтесса вошла в историю мировой культуры. – Ред .)

Молния – это величественное и грозное явление природы, невольно вызывающее чувство страха. Долгое время человек не умел объяснять причин грозовых явлений. Люди считали грозу деянием богов, наказывающих человека за грехи. Природа молнии стала проясняться после исследований, проведённых в ХVIII столетии М.Ломоносовым, Г.Рихманом и Б.Франклином.

Объяснение М.В.Ломоносова было таким. В земной атмосфере воздух находится в постоянном движении. Благодаря трению восходящих и нисходящих воздушных потоков друг о друга частички воздуха электризуются и, сталкиваясь с капельками воды в облаках, отдают им свой заряд. Таким образом, в облаках со временем скапливаются весьма большие заряды. Они-то и являются причиной молний. Пытаясь зарядить «небесным» электричеством во время грозы железный стержень, погиб помощник Ломоносова Георг Рихман. Сам Ломоносов во время подобных опытов тоже не раз подвергался смертельной опасности. Но новое влекло неудержимо. Недаром он записал в дневнике: «Один опыт я ставлю выше, чем тысячу мнений, рождённых только воображением».

На другом конце земного шара, в Америке, в те же годы работал учёный столь же разносторонний, как Ломоносов, – Бенджамен Франклин. Русский и американский исследователи не были знакомы друг с другом, но их роднило многое. Оба, например, писали остроумные стихи, увлекались искусством и примерно в одно и то же время занялись изучением... атмосферного электричества. К счастью, очень рискованные опыты Франклина окончились благополучно для него. Ведь он тоже вызывал молнию на себя, запуская во время грозы высоко в небо воздушного змея на влажной бечёвке. «Вода проводит электричество, и если молния имеет электрическую природу, то она спустится, – подумал Франклин, – по мокрой верёвке». И молния действительно послушно ударила в землю рядом с Франклином!

Мы постоянно находимся в океане электрических разрядов, создаваемых многочисленными машинами, станками и самим человеком (например, когда мы ходим, причёсываемся). Эти разряды, конечно, не такие мощные, как природные молнии, поэтому мы не замечаем их, если не считать лёгких уколов, которые иногда испытываем, коснувшись рукой металлического предмета или другого человека. Но ведь такие разряды существуют и могут так же, как и большие молнии, вызывать пожары и взрывы, приводить к значительным убыткам, повреждениям и увечьям, если мы не будем знать, отчего они возникают и как от них защищаться.

Использование статического электричества и борьба с ним (по схемам)

Оно может служить человеку:

в лечебных целях – электростатический душ, положительно воздействующий на весь организм, электроаэрозоли для лечения органов дыхания;

для очистки воздуха от пыли, сажи, кислотных и щелочных паров – электростатический фильтр;

для размножения чертежей, графиков, текстов – электрокопировальные устройства (в частности, ксерокс); для быстрой и прочной окраски тканей;

для копчения рыбы – электрокамеры, где конвейер с рыбой, заряженной положительно, движется под электродами, заряженными отрицательно; такое копчение происходит в десятки раз быстрее, чем обычным способом.

Статическое электричество может причинять вред как на производстве, так и в быту, так что зачастую с ним приходится бороться. Так, при трении о воздух самолёт электризуется, поэтому после посадки к нему нельзя сразу же приставлять металлический трап: может возникнуть разряд, который вызовет пожар. Сначала самолёт разряжают, для чего опускают на землю металлический трос, соединённый с обшивкой самолёта, и заряд уходит в землю. Микроразряды возникают, когда вы ходите по полу, покрытому полимерным покрытием, или снимаете синтетическую одежду.

Чтобы нейтрализовать вредное действие статического электричества:

на производстве заземляют станки и машины, увлажняют воздух, используют специальные нейтрализаторы зарядов;

дома увлажняют помещения, используют специальные добавки к воде при мытье полов, сбрызгивают антистатиком одежду.

Давайте посмотрим на содержание нашего ОК и повторим материал: о каких явлениях мы сегодня говорили? что значит наэлектризовать тело? Приведите примеры возникновения электрического заряда (игра в баскетбол, волейбол, «ёрзание» на стуле, игра на музыкальных инструментах, причёсывание, листание книг, письмо ручкой, движение шин по асфальту, движении пара вверх и т.п.). Почему же мы не обращаем на него внимания и считаем редким явлением? Назовите виды электрических зарядов. Как можно наэлектризовать тело? Каков характер взаимодействия заряженных тел? Расскажите о роли электризации в природе.

Проверим полученные знания (решение задач силлюстрацией условий фрагментами из мультфильмов или рисунками)

1.Аладдин поглубже запахнул полы своего единственного шёлкового халата, обмотался своим единственным шерстяным шарфом и опустился в холодное подземелье, где нашёл странную лампу: одна её часть была стеклянной, а другая – из янтаря. На лампе были написаны странные слова и символы:

«Лампа (+) + добрый джин три желания»;

«Лампа (–) злой джин ...».

Что должен сделать Аладдин?

(Ответ. Потереть стекло о халат для получения положительного заряда.)

2.При правильном ответе А покажите красную карточку, Б – синюю, В – зелёную.

1. В каком случае взаимодействие зарядов указано правильно?

2. Известно, что натиранием о шерсть заряжаются палочки из резины, серы, эбонита, пластмассы, капрона. Заряжается ли при этом шерсть?

А) Да, т.к. в электризации трением всегда участвуют два тела и при этом электризуются оба;

Б) хотя в электризации трением участвуют два тела, в опытах всегда используются только палочки. Поэтому можно считать, что заряжаются только палочки.

3. Как взаимодействуют друг с другом две эбонитовые палочки, наэлектризованные трением о мех?

4. Как взаимодействуют друг с другом две стеклянные палочки, наэлектризованные трением о шёлк?

5. Как взаимодействуют друг с другом эбонитовая палочка, наэлектризованная трением о мех, и стеклянная палочка, наэлектризованная трением о шёлк?

6. Какое действие друг на друга оказывают два одинаковых тела, получивших заряд от эбонитовой палочки?

7. Какое действие друг на друга оказывают два одинаковых тела, получивших заряд от стеклянной палочки?

8. Какое действие оказывает тело, получившее заряд от эбонитовой палочки, на тело, получившее заряд от стеклянной палочки?

9. Какое действие оказывают друг на друга наэлектризованные обычным способом стеклянные палочки?

10. Какое действие оказывает эбонитовая палочка на стеклянную палочку, если их наэлектризовать обычным способом (натиранием стекла о шёлк, эбонита – о мех)?

11. Составьте тексты из фраз А , Б , В .

А1	Б...	В...
А2	Б …	В …
А3	Б …	В …

А: 1. Две эбонитовые палочки, потёртые о мех...

2. Две стеклянные палочки, потёртые о шёлк...

3. Стеклянная палочка, потёртая о шёлк, и эбонитовая палочка, потёртая о мех...

Б: 1. ...имеют заряды разного знака.

2. ...имеют заряды одного знака.

В: 1. ...поэтому они отталкиваются друг от друга.

2. ...поэтому они притягиваются друг к другу.

12. Отгадайте слово:

Эточастица, обладающая, по мнению Франклина,положительным зарядом: 1 – наука о природе (первая буква); 2 – русский учёный, внёсший большой вклад в изучение электричества (первая буква); 3 – знак электрического заряда на стеклянной палочке при её трении о шёлк (третья буква); 4 – знак электрического заряда на эбонитовой палочке при её трении о шерсть (вторая буква); 5 – учёный, впервые аргументированно отстаивавший точку зрения о двух видах электрических зарядов (первая буква).

Ответ: флюид.

Учитель. Все, кто допустил ошибки при выполнении заданий, ещё раз просмотрите ОК и материал учебника.

Как вы оцениваете свою работу на уроке? Спасибо!

Литература

Балашов М.М. О природе: Книга для учащихся. – М.: Просвещение, 1991.

Буров В.А., Иванов А.И ., Свиридов В.И . Фронтальные экспериментальные задания по физике. 9-й класс. – М.: Просвещение, 1986.

Буров В.А., Кабанов С.Ф ., Свиридов В.И. Фронтальные экспериментальные задания по физике в 6–7-х классах. – М.: Просвещение, 1981.

Горев Л.А. Занимательные опыты по физике. – М.: Просвещение, 1985.

Книга для чтения по физике: Сост. И.Г.Кириллова. – М.: Просвещение, 1986.

Колтун М. Мир физики. – М.: Детская литература, 1984.

Луппов Г.Д. Молекулярная физика и электродинамика в опорных конспектах и тестах. – М.: Просвещение, 1992.

Пеннер Д.И., Худайбердиев А . Программированные задания по физике для 6–7-х классов. – М.: Просвещение, 1985.

Пёрышкин А.В. Физика-8. – М.: Дрофа, 2001.

Усольцев А.П. Задачи по физике на основе литературных сюжетов. – Екатеринбург: У-Фактория, 2003.

У Ирины Ивановны Жалыбиной две замечательные профессии: одна – педагог, соединяющая в себе интеллект учёного, талант актёра, выдержку разведчика, осмотрительность сапёра, гибкость дипломата; другая объединяет в себе жену, маму и дочь. Это самая замечательная профессия. «Я счастлива от того, что утром с радостью иду в школу, а вечером, довольная, возвращаюсь домой, к своей семье – к любимому и терпеливому мужу, к замечательной маме и к двум прекрасным дочуркам – двенадцати лет и одного годика».

Темы кодификатора ЕГЭ : электризация тел, взаимодействие зарядов, два вида заряда, закон сохранения электрического заряда.

Электромагнитные взаимодействия принадлежат к числу наиболее фундаментальных взаимодействий в природе. Силы упругости и трения, давление газа и многое другое можно свести к электромагнитным силам между частицами вещества. Сами электромагнитные взаимодействия уже не сводятся к другим, более глубоким видам взаимодействий.

Столь же фундаментальным типом взаимодействия является тяготение - гравитационное притяжение любых двух тел. Однако между электромагнитными и гравитационными взаимодействиями имеется несколько важных отличий.

1. Участвовать в электромагнитных взаимодействиях могут не любые, а только заряженные тела (имеющие электрический заряд ).

2. Гравитационное взаимодействие - это всегда притяжение одного тела к другому. Электромагнитные взаимодействия могут быть как притяжением, так и отталкиванием.

3. Электромагнитное взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного. Например, сила электрического отталкивания двух электронов в раз превышает силу их гравитационного притяжения друг к другу.

Каждое заряженное тело обладает некоторой величиной электрического заряда . Электрический заряд - это физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия между объектами природы . Единицей измерения заряда является кулон (Кл).

Два вида заряда

Поскольку гравитационное взаимодействие всегда является притяжением, массы всех тел неотрицательны. Но для зарядов это не так. Два вида электромагнитного взаимодействия - притяжение и отталкивание - удобно описывать, вводя два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные .

Заряды разных знаков притягиваются друг к другу, а заряды разных знаков друг от друга отталкиваются. Это проиллюстрировано на рис. 1 ; подвешенным на нитях шарикам сообщены заряды того или иного знака.

Рис. 1. Взаимодействие двух видов зарядов

Повсеместное проявление электромагнитных сил объясняется тем, что в атомах любого вещества присутствуют заряженные частицы: в состав ядра атома входят положительно заряженные протоны, а по орбитам вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны.

Заряды протона и электрона равны по модулю, а число протонов в ядре равно числу электронов на орбитах, и поэтому оказывается, что атом в целом электрически нейтрален. Вот почему в обычных условиях мы не замечаем электромагнитного воздействия со стороны окружающих тел: суммарный заряд каждого из них равен нулю, а заряженные частицы равномерно распределены по объёму тела. Но при нарушении электронейтральности (например, в результате электризации ) тело немедленно начинает действовать на окружающие заряженные частицы.

Почему существует именно два вида электрических зарядов, а не какое-то другое их число, в данный момент не известно. Мы можем лишь утверждать, что принятие этого факта в качестве первичного даёт адекватное описание электромагнитных взаимодействий.

Заряд протона равен Кл. Заряд электрона противоположен ему по знаку и равен Кл. Величина

называется элементарным зарядом . Это минимальный возможный заряд: свободные частицы с меньшей величиной заряда в экспериментах не обнаружены. Физика не может пока объяснить, почему в природе имеется наименьший заряд и почему его величина именно такова.

Заряд любого тела всегда складывается из целого количества элементарных зарядов:

Если , то тело имеет избыточное количество электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же , то наоборот, у тела электронов недостаёт: протонов на больше.

Электризация тел

Чтобы макроскопическое тело оказывало электрическое влияние на другие тела, его нужно электризовать. Электризация - это нарушение электрической нейтральности тела или его частей. В результате электризации тело становится способным к электромагнитным взаимодействиям.

Один из способов электризовать тело - сообщить ему электрический заряд, то есть добиться избытка в данном теле зарядов одного знака. Это несложно сделать с помощью трения.

Так, при натирании шёлком стеклянной палочки часть её отрицательных зарядов уходит на шёлк. В результате палочка заряжается положительно, а шёлк - отрицательно. А вот при натирании шерстью эбонитовой палочки часть отрицательных зарядов переходит с шерсти на палочку: палочка заряжается отрицательно, а шерсть - положительно.

Данный способ электризации тел называется электризацией трением . С электризацией трением вы сталкиваетесь всякий раз, когда снимаете свитер через голову;-)

Другой тип электризации называется электростатической индукцией , или электризацией через влияние . В этом случае суммарный заряд тела остаётся равным нулю, но перераспределяется так, что в одних участках тела скапливаются положительные заряды, в других - отрицательные.

Рис. 2. Электростатическая индукция

Давайте посмотрим на рис. 2 . На некотором расстоянии от металлического тела находится положительный заряд . Он притягивает к себе отрицательные заряды металла (свободные электроны), которые скапливаются на ближайших к заряду участках поверхности тела. На дальних участках остаются нескомпенсированные положительные заряды.

Несмотря на то, что суммарный заряд металлического тела остался равным нулю, в теле произошло пространственное разделение зарядов. Если сейчас разделить тело вдоль пунктирной линии, то правая половина окажется заряженной отрицательно, а левая - положительно.

Наблюдать электризацию тела можно с помощью электроскопа. Простой электроскоп показан на рис. 3 (изображение с сайта en.wikipedia.org).

Рис. 3. Электроскоп

Что происходит в данном случае? Положительно заряженная палочка (например, предварительно натёртая) подносится к диску электроскопа и собирает на нём отрицательный заряд. Внизу, на подвижных листочках электроскопа, остаются нескомпенсированные положительные заряды; отталкиваясь друг от друга, листочки расходятся в разные стороны. Если убрать палочку, то заряды вернутся на место и листочки опадут обратно.

Явление электростатической индукции в грандиозных масштабах наблюдается во время грозы. На рис. 4 мы видим идущую над землёй грозовую тучу.

Рис. 4. Электризация земли грозовой тучей

Внутри тучи имеются льдинки разных размеров, которые перемешиваются восходящими потоками воздуха, сталкиваются друг с другом и электризуются. При этом оказывается, что в нижней части тучи скапливается отрицательный заряд, а в верхней - положительный.

Отрицательно заряженная нижняя часть тучи наводит под собой на поверхности земли заряды положительного знака. Возникает гигантский конденсатор с колоссальным напряжением между тучей и землёй. Если этого напряжения будет достаточно для пробоя воздушного промежутка, то произойдёт разряд - хорошо известная вам молния.

Закон сохранения заряда

Вернёмся к примеру электризации трением - натирании палочки тканью. В этом случае палочка и кусок ткани приобретают равные по модулю и противоположные по знаку заряды. Их суммарный заряд как был равен нулю до взаимодействия, так и остаётся равным нулю после взаимодействия.

Мы видим здесь закон сохранения заряда , который гласит: в замкнутой системе тел алгебраическая сумма зарядов остаётся неизменной при любых процессах, происходящих с этими телами :

Замкнутость системы тел означает, что эти тела могут обмениваться зарядами только между собой, но не с какими-либо другими объектами, внешними по отношению к данной системе.

При электризации палочки ничего удивительного в сохранении заряда нет: сколько заряженных частиц ушло с палочки - столько же пришло на кусок ткани (или наоборот). Удивительно то, что в более сложных процессах, сопровождающихся взаимными превращениями элементарных частиц и изменением числа заряженных частиц в системе, суммарный заряд всё равно сохраняется!

Например, на рис. 5 показан процесс , при котором порция электромагнитного излучения (так называемый фотон ) превращается в две заряженные частицы - электрон и позитрон . Такой процесс оказывается возможным при некоторых условиях - например, в электрическом поле атомного ядра.

Рис. 5. Рождение пары электрон–позитрон

Заряд позитрона равен по модулю заряду электрона и противоположен ему по знаку. Закон сохранения заряда выполнен! Действительно, в начале процесса у нас был фотон, заряд которого равен нулю, а в конце мы получили две частицы с нулевым суммарным зарядом.

Закон сохранения заряда (наряду с существованием наименьшего элементарного заряда) является на сегодняшний день первичным научным фактом. Объяснить, почему природа ведёт себя именно так, а не иначе, физикам пока не удаётся. Мы можем лишь констатировать, что эти факты подтверждаются многочисленными физическими экспериментами.

Рекомендуем почитать

Воинский учет

Десять открытий российских ученых, которые потрясли мир

Болезни

«Правописание суффиксов причастий

Болезни

Секретные фото луны Загадочные объекты на луне

Служба

Книга: Генри Форд. Моя жизнь. Мои достижения. Генри Форд: Моя жизнь, мои достижения

Военный билет

Как отличаются баллы ЕГЭ по регионам: результаты школьников и региональное неравенство

Призыв

Крупнейшие моря Индийский океан биография